雷射剝離之簡介

2.1.1

藍寶石基板（sapphire）

Sapphire本身具有良好的表面平坦度、熱穩定性高與較低價格等特點，使得傳 統GaN磊晶基板大多是以sapphire為主。然而，另一方面sapphire與生俱來的〝高電 阻〞與〝低導熱〞等特性將使LED元件的製作與效能受到許多限制：高電阻的特 性會迫使光電元件勢必需要犧牲某部份的主動層來製作元件p極與n極的接點（如 圖2-1所示），導熱性質低落的缺點則使得光電元件內部所產生的熱無法順利排出

（如圖2-2）而產生焦耳熱效應，進而導致主動層在高電流注入下的光電效率衰 退。因此，若想有效的提昇元件的光電效率，則尋求一個在元件製程中把sapphire 基板置換成導電與導熱性質更好材料的方法亦是近年來高亮度LED最迫切需要解 決的問題之一，而雷射剝離（laser lift-off, LLO）的方法便在此問題中應運而生。

圖 2-1 (a)為傳統型 LED，為了製作 n 型電極而犧牲了部份的 LED 主動層。(b)藉由 雷射剝離技術而製作的垂直型LED 可以保留完整的主動層。

圖 2-2 (a) 低導熱性質的 LED 基板，其散熱效果較差。(b) 高導熱性質的 LED 基板，

其散熱效果較好。

圖 2-3 文獻中經由Nd:YAG雷射掃瞄過後而導致GaN表面熱分解後的表面 形貌。[6]

2.1.2

雷射剝離（laser lift-off）

1996年Kelly 等人[6]始發現以波長為355nm、脈衝時間為5ns、能量密度為 50~200 mJ ( 約130~520 mJ/cm² ) 的三倍頻釹釔鋁石榴石雷射(third harmonic Nd:YAG laser) 射入GaN，其雷射能量會被GaN所吸收，雷射瞬間產生的能量使得 GaN升溫至900℃以上並將GaN解離為氣態氮與液態鎵，熱分解現象並產生深度約 100 nm的溝槽（如圖2-3所示）。隨後[7]並延伸運用此方法，將355 nm Nd:YAG雷 射光從sapphire端射入。藉由sapphire的能隙(9 eV)大於雷射能量的緣故，sapphire LED於sapphire基板中分離。並由X-ray rocking curve得知，GaN經過laser lift-off之 後的晶體結構並無受到明顯的傷害，故對主動層之發光效率並無受到明顯的影 響。隨後1999年Wong 等人[8]利用 KrF excimer 雷射首次成功的將生長在sapphire 基板上具有氮化銦鎵(InGaN)多重量子井的藍光LED分離開來。同時，LED發光強 度與波長證明了氮化銦鎵主動層並沒有明顯的破壞，順向偏壓的I-V曲線也無名顯 的改變。1999 年的同時，Kelly 等人[9]以Nd:YAG雷射進行厚度約300μm 之GaN 薄膜雷射剝離，也成功的製造出用於均質磊晶(homoepitaxy)的GaN基板。

除了雷射的方法之外，其他的sapphire lift-off方法也曾被研究發表出來。例如 利用化學側向蝕刻的方式來剝離sapphire基版[10]，但是礙於實際應用層面的限 制，至今能無法被廣泛的商業化運用。

2.1.3

文獻回顧

自從1996~1998年，Kelly與Wong等人發表了GaN與sapphire分離的研究成果，

也同時代表著sapphire基板長久以來導電導熱的問題可以獲得解決。之後的這十年 間，各種利用laser lift-off技術將sapphire基板置換成其他更好導電導熱材料的研究 也在國際期刊上如雨後春筍般的發表出來。

2003 年Ueda 等人[11]利用在藍寶石基板與AlGaN間的GaN緩衝層(buffer layer)進行雷射剝離，也成功得到獨立的氮化鋁鎵薄膜。因此雷射剝離的概念可運 用至其他生長在藍寶石基板之任何發光層材料，均可利用GaN犧牲層來進行雷射 剝離並移除藍寶石基板。Luo等人[12]於2002 年將雷射剝離後的GaN薄膜利用晶圓 接合(wafer bonding)的方式黏著於矽基板上，形成一個GaN/黏膠/矽基板的結構，

雖然在這十年之間laser lift-off 的應用與發展已被廣為研究探討。總和來說，Laser lift-off 技術既不傷害 LED 主動層也不會提高 LED 操作電壓的特點相當受到各方重